1过程控制的任务和要求
要求三项：安全性经济性稳定性，过程控制的任务就是在了解掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用适宜的技术手段加以实现。过程控制的任务是由控制系统的设计和实现来完成的。
2常用过程控制系统分为哪几类
三类1.反馈控制系统（根据被控参数与给定值的偏差进行控制的）2.前馈控制系统（根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据）3.前馈-反馈控制系统（前馈控制的主要优点是能迅速及时克服主要扰动对被控量的影响，而前馈反馈能控制利用的反馈控制克服其他扰动，能够使被控量迅速而准确的稳定在给定值上，提高系统的控制质量）
1过程控制系统在运行中状态有几种?过程控制系统时域性能指标包括哪些？它们分别反应系统哪些方面性能？
两种，一种是稳态，此时系统没有收到任何外来干扰，同时设定值保持不变，因而被调量也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况。一种是动态，当系统收到外来干扰的影响或者在改变了设定值之后原来的稳态受到破坏，各部分输入输出都发现变化。
时域性能指标（衰减比和衰减率，最大动态误差和超调量，残余偏差，调节时间和振荡频率）衰减比是衡量一个振荡过程的衰减程度的指标，它相当于两个相邻的波峰值之比。
衡量震荡频率过程衰减程度的另一个指标是衰减率，指的是每经过一个周期，波动幅度衰减的百分数。
最大动态误差和超调量最大动态误差是指设定阶跃响应中，过度过程开始后第一个波峰超过其新稳态值的幅度，最大动态偏差占被调量稳态变化幅度的百分比称为超调量
残余偏差是指过渡结束之后被调量新的稳态值Y（∞）与新设定值r之间的差值，它是控制系统稳态准确性的衡量指标
调节时间和振荡频率调节时间是从过渡过程开始到结束所需的时间过渡过程的振荡频率也可以作为衡量控制系统快速性的一个指标那你。
2什么是被控过程的特性？什么是被控过程的数学模型？目前研究过程数学模型的主要方法有哪些？
指被控过程是否容易控制。数学模型乃是事物行为规律的数学描述。根据所描述的是事物在稳态下的行为规律还是在动态下的，被控系统数学模型的划分 1.按系统的连续性划分（连续系统模型，离散系统模型）
按模型的结构划分为[输入输出模型（可按时域划分为时域表达—阶跃响应，脉冲响应；频域表达—传递函数），状态空间模型]
机理法建模，用机理法建模就是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程，机理法建模的首要条件是生产过程的机理必须已经为人们所充分掌握，并且可以比较准确地加以数学描述
测试法建模，一般只用于建立输入输出模型。它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理的模型。
3如何判断一个过程是自衡过程还是无自衡过程？
自衡过程指的是系统中存在着对所关注的变量的变化有固定负反馈作用，该作用总是力图恢复系统的平衡，在出现扰动后，过程能靠系统自身的能力达到新的平衡状态的性质称为自平衡特性，自衡过程具有一定范围内的自平衡，反之，不存在固定反馈作用的且自身无法恢复平衡的，为无自衡过程
4工业过程动态特性的特点是什么？
1.对象的动态特性是不振荡的
2.对象的动态特性有延迟
3.被控对象本身是稳定的或中性的
4.被控对象往往具有非线性特征
1、简述PID控制的优点。
1.原理简单，使用方便
2.适应性强，可以应用于化工、热工、冶金、炼油、以及造纸、建材等各种生产部门
3.鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感
2、简述调节器的正、反作用。
为了适应不同被控对象实现负反馈控制的需要，工业调节器都设置有正反作用开关，以便根据需要将调节器置于正作用或反作用方式，所谓正作用方式是指调节器的输出信号U随着被调量Y增大而增大，此时称整个调节器的增益为“+”。处于反作用方式下，U随着被调量Y 的增大而减小，调节器的增益为“-”
3、控制器为什么必须有自动/手动切换电路，怎样才能做到自动-手动双向无扰动切换？
为了适应工艺过程启动，停车或发生事故等情况，控制器除了需要自动调节的工作状态以外，还需要在特殊情况时能由操作人员切除PID运算电路，直接根据仪表做出判断，操纵调节器输出的手动工作状态
1、
2、什么是串级控制，与单回路控制系统相比串级控制系统具有什么结构特点？
串级控制系统是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。结构特点，在系统结构上，它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统。一个闭环在里面，称为副环，在控制过程中起着粗调的作用，一个环在外面，称为主环，完成细调的任务，以最终保证被调量满足工艺要求。
2为什么串级控制系统具有较强的抑制干扰能力？
在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且还能改善过程特性。副回路具有粗调的作用，主调节器有细调的作用，从而使得控制品质提高。
串级控制系统具有较好控制性能的原因
第 一 章 1.1不考 条件部分不考 △雅柯比变换 （随机变量函数的变换 P34） △随机变量之间的“不相关、正交、独立” P51 （各自定义、相关系数定义 相互关系：两个随机变量相互独立必定互不相关，反之不一定成立 正交与不相关、独立没有明显关系 结合高斯情况） △随机变量的特征函数及基本性质 （一维的 P53 n 维的 P58） △ 多维高斯随机变量的概率密度和特征函数的矩阵形式、三点性质 P61 ( )()() () ( ) ()()2 2 1 () 2112 2 22 11 ,,exp 2 2exp ,,exp 22T T x m X X X X X n n X T T jU X X X X X n X M X M f x f x x U U u Q u j m Q u u E e jM U σπσμ---?? --??= = -????? ? ?? ?? ?? ??=-==- ?? ??? ????? ?? C C C u u r u u r u u r u u r u u r u u r L u r u r u u r u r L 另外一些性质： []()20XY XY X Y X C R m m D X E X m ??=-=-≥??
第二章 随机过程的时域分析 1、随机过程的定义 从三个方面来理解①随机过程(),X t ζ是,t ζ两个变量的函数②(),X t ζ是随时间t 变化的随机变量③(),X t ζ可看成无穷多维随机矢量在0,t n ?→→∞的推广 2、什么是随机过程的样本函数？什么是过程的状态？随机过程与随机变量、样本函数之间的关系？ 3、随机过程的概率密度P7 4、特征函数P81。（连续、离散） 一维概率密度、一维特征函数 二元函数 4、随机过程的期望、方差、自相关函数。（连续、离散） 5、严平稳、宽平稳的定义 P83 6、平稳随机过程自相关函数的性质： 0点值，偶函数，周期函数（周期分量），均值 7、自相关系数、相关时间的定义 P88 2 2 2() ()()()()(0)()X X X X X X X X X X C R m R R R R τττρτσ σ--∞= = -∞= 非周期 相关时间用此定义（00()d τρττ∞ =?） 8、两个随机过程之间的“正交”、“不相关”、“独立”。 （P92 同一时刻、不同时刻） 9、两个随机过程联合平稳的要求、性质。P92
过程控制系统知识点总结 ） 一、概论 1、过程控制概念：五大参数。 过程控制的定义：工业中的过程控制是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制。 2、简单控制系统框图。 控制仪表的定义：接收检测仪表的测量信号，控制生产过程正常进行的仪表。主要包括：控制器、变送器、运算器、执行器等，以及新型控制仪表及装置。 控制仪表的作用：对检测仪表的信号进行运算、处理，发出控制信号，对生产过程进行控制。 3、能将控制流程图（工程图、工程设计图册）转化成控制系统框图。
4、DDZ-Ⅲ型仪表的电压信号制，电流信号制。QDZ-Ⅲ型仪表的信号制。它们之间联用要采用电气转换器。 5、电信号的传输方式，各自特点。 电压传输特点： 1). 某台仪表故障时基本不影响其它仪表； 2). 有公共接地点； 3). 传输过程有电压损耗，故电压信号不适宜远传。 电流信号的特点： 1).某台仪表出故障时，影响其他仪表； 2).无公共地点。若要实现仪表各自的接地点,则应在仪表输入、输出端采取直流隔离措施。 6、变送器有四线制和二线制之分。区别。 1、四线制：电源与信号分别传送，对电流信号的零点及元件的功耗无严格要求。 2、两线制：节省 第一个字母：参数类型 T —— 温 度 （Temperature ） P ——压力（Pressure ） L ——物位（Level ） F ——流量（Flow ） W ——重量（Weight ） 第二个字母：功能符号 T —— 变 送 器 （transmitter ） C —— 控 制 器 （Controller ） I ——指示器（Indicator ） R ——记录仪（Recorder ） A ——报警器（Alarm ） 加热 制燃料
过程控制工程知识点复习 一.过程控制系统及其分类 1.过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，主要解决单输入 单输出的定值控制系统的分析和综合问题。 2.过程控制有三种图表示分别是系统框图控制流程图工艺流程图我们应当学会识 别。 控制流程图 系统框图
工艺流程图 3.过程控制系统的分类 按结构特点分为反馈控制系统（闭环）前馈控制系统（开环）前馈-反馈控制系 统（复合控制系统）复合控制系统 按信号特点分定值控制系统（给出给定值）程序控制系统（按一定规律变化如空调温度随时间变化定值变化11：00给25°c 12：00给28°c）随动控制系统（如比值控制） 二.过程建模 被控过程是指正在运行的多种被控制的生产工艺设备，如锅炉，精馏塔，化学反应器等等，被控过程的数学模型（动态特性）是指过程在各输入量（控制量与扰动）作用下相应输出量变化函数关系的数学表达式。 过程的数学模型有两种 1.非参数模型，如阶跃响应曲线脉冲响应曲线频率特性曲线是用曲线表示的 2.参数模型，如微分方程传递函数脉冲响应函数状态方程差分方程是用数学 方程式表示的。 机理法建模 机理法建模又称为数学分析法建模或理论建模。
自平衡能力：即过程在输入量的作用下其平衡状态被破坏后无需人或仪器的干 预，依靠过程自身能力逐渐恢复达到另一新的平衡状态 试验法建模 试验法建模是在实际的生产过程中，根据过程输入，输出实验数据，通过过程辨 识与参数估计的方法建立被控过程的数学模型。特点是不需要深入了解过程机理 但必须设计合理实验。 三.过程测量及变送 测量误差 测量误差是指测量结果与被测量的真值之差，测量误差反应了测量结果的可靠度。 绝对误差：绝对误差是指仪表指示值与被测变量的真值之差，在工程上，通常把高一等级精度的标准仪器测得的值作为真值（实际值）此时的绝对误差是指用标准仪表（高精度）与测量仪表（低精度）同时测量同一值是，所得两个结果之差。 相对误差：相对误差是指绝对误差与被测量的真值之比的百分数，它比绝对误差更具有说明测量结果的精度。相对误差分为实际相对误差和标称相对误差和引用相对误差 引用相对误差δ=（（绝对误差）/（仪表量程））*100%=（（x-x0）/（a-b））*100% x仪表测量值x0仪表测量真值a仪表上限b仪表下限 实际相对误差为绝对误差与真值之比的百分数标称相对误差为绝对误差与仪表指示值之比的百分数 四.简单过程控制系统 对过程控制设计的一般要求1.安全性2.稳定性3.经济性 （单回路）过程控制系统的设计步骤 1.根据工艺参数合理选择性能指标 2.选择合理的控制参数和被控参数 3.合理的选择和设计控制器 4.兼顾被控参数的测量与变送器执行器的选择 控制方案设计 1.合理选择被控参数Y（s） 2.合理选择被控参数Q（s） 3.合理设计（选择）控制（调节）规律Wc（s） 4.被控过程参数的测量与变送Wm（s） 5.控制执行器的选择Wv（s） 过程控制系统在运行中有两种状态，一种是稳态，一种是动态 阶跃响应的性能指标 1.余差（静态偏差）C 过渡过程后给定值与被控参数稳态值之差 2.衰减率衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标 ψ=(B1-B2)/B1=1-B2/B1 为保持系统足够的稳定度，一般取ψ=0.75-0.9 3.最大偏差A（超调量σ） 最大偏差是指被控参数第一个波的峰值与给定值的差 σ=（y（tp）-y（∞））/ y（∞）*100% 这个值表示被控参数偏离给定值的程度，衡量性能的重要指标 4.过渡时间ts 从受扰动开始到进入新的稳态值+-5%范围内的时间，衡量快速性的指标，该值约小
绪论 为了帮助大家在期末复习中能更全面地掌握书中知识点，并且在以后参加考研考博考试直到工作中，为大家提供一个理论参考依据，我们11级自动化二班的同学们在王整风教授的带领下合力编写了这本《现代控制理论习题集》（刘豹第三版），希望大家好好利用这本辅助工具。 根据老师要求，本次任务分组化，责任到个人。我们班整体分为五大组，每组负责整理一章习题，每个人的任务由组长具体分配，一个人大概分1~2道题，每个人任务虽然不算多，但也给同学们提出了要求：1.写清题号，抄题，画图（用CAD或word画）。2.题解详略得当，老师要求的步骤必须写上。3.遇到一题多解，要尽量写出多种方法。 本习题集贯穿全书，为大家展示了控制理论的基础、性质和控制一个动态系统的四个基本步骤，即建模、系统辨识、信号处理、综合控制输入。我们紧贴原课本，强调运用统一、联系的方法分析处理每一道题，将各章节的知识点都有机地整合在一起，力争做到了对控制理论概念阐述明确，给每道题的解析赋予了较强的物理概念及工程背景。在课后题中出现的本章节重难点部分，我们加上了必要的文字和图例说明，让读者感觉每一题都思路清晰，简单明了，由于我们给习题配以多种解法，更有助于发散大家的思维，做到举一反三！
这本书是由11级自动化二班《现代控制理论》授课老师王整风教授全程监管，魏琳琳同学负责分组和发布任务书，由五个小组组组长李卓钰、程俊辉、林玉松、王亚楠、张宝峰负责自己章节的初步审核，然后汇总到胡玉皓同学那里，并由他做最后的总审核工作，绪论是段培龙同学和付博同学共同编写的。 本书耗时两周，在同学的共同努力下完成，是二班大家庭里又一份智慧和努力的结晶，望大家能够合理使用，如发现错误请及时通知，欢迎大家的批评指正！ 2014年6月2日
第一章 随机过程得基本概念与基本类型 一.随机变量及其分布 1.随机变量, 分布函数 离散型随机变量得概率分布用分布列 分布函数 连续型随机变量得概率分布用概率密度 分布函数 2.n 维随机变量 其联合分布函数),,,,(),,,()(221121n n n x X x X x X P x x x F x F ≤≤≤== 离散型 联合分布列 连续型 联合概率密度 ３.随机变量得数字特征 数学期望:离散型随机变量 连续型随机变量 方差: 反映随机变量取值得离散程度 协方差(两个随机变量): 相关系数(两个随机变量): 若,则称不相关。 独立不相关 ４.特征函数 离散 连续 重要性质:,,, ５.常见随机变量得分布列或概率密度、期望、方差 ０－１分布 二项分布 泊松分布 均匀分布略 正态分布 指数分布 ６.Ｎ维正态随机变量得联合概率密度 )}()(2 1ex p{||)2(1 ),,,(121221a x B a x B x x x f T n n ---=-π ,,正定协方差阵 二.随机过程得基本概念 １.随机过程得一般定义 设就是概率空间,就是给定得参数集,若对每个,都有一个随机变量与之对应,则称随机变量族就是上得随机过程。简记为。 含义:随机过程就是随机现象得变化过程,用一族随机变量才能刻画出这种随机现象得全部统计规律性。另一方面,它就是某种随机实验得结果,而实验出现得样本函数就是随机得。 当固定时,就是随机变量。当固定时,时普通函数,称为随机过程得一个样本函数或轨道。 分类:根据参数集与状态空间就是否可列,分四类。 也可以根据之间得概率关系分类,如独立增量过程,马尔可夫过程,平稳过程等。 ２.随机过程得分布律与数字特征 用有限维分布函数族来刻划随机过程得统计规律性。随机过程得一维分布,二维分布,…,维分布得全体称为有限维分布函数族。随机过程得有限维分布函数族就是随机过程概率特征得完整描述。在实际中,要知道随机过程得全部有限维分布函数族就是不可能得,因此用某些统计特征来取代。 (１)均值函数 表示随机过程在时刻得平均值。
上海电力学院2020年考研复试大纲：F024过程 控制系统设计 考研大纲频道为大家提供上海电力学院2019年考研复试大纲： F024过程控制系统设计，有需要的同学赶紧复习吧！更多考研资讯 请关注我们网站的更新! 上海电力学院2019年考研复试大纲：F024过程控制系统设计 课程名称：过程控制系统设计 参考书目：王再英、刘淮霞、陈毅静编著.《过程控制系统与仪表》(普通高等教育“十一五”国家级规划教材)，机械工业出版社，2017年09月。 复习的总体要求 《过程控制系统设计》是一门将控制理论、过程生产工艺、仪器仪表知识、系统设计方法相结合的综合性应用课程。本课程要求学 生了解过程控制系统的组成及性能指标，掌握被控过程的特性与建 模方法，领会测量变送器、执行器和PID控制器的组成、工作原理 和选型原则，完成简单和复杂过程控制系统的设计和整定，实现典 型过程控制应用案例的分析和设计。 复习内容 知识点 1、过程控制概述：过程控制的特点和任务;过程控制系统的分类;过程控制的性能指标要求; 2、控制仪表：控制仪表的分类;PID控制规律及特点;PID控制器的应用; 3、执行器：执行器的分类;调节阀的结构和工作原理;调节阀的 结构特性和流量特性;调节阀的选型原则;
4、被控过程的数学模型：数学模型的作用和建模方法;机理建模法的原理和建模过程;阶跃响应曲线法建模的原理和方法; 5、简单控制系统的设计与整定：简单控制系统的组成;简单控制系统设计的基本要求和设计步骤;被控参数、控制变量、控制器调节规律和正反作用的选择;控制器参数的衰减频率特性整定法;控制器 参数的工程整定法; 6、串级控制系统的设计：串级控制系统的结构和工作原理;串级控制系统的特点;串级控制系统的设计原则和控制器参数的整定方法; 7、前馈控制系统的设计：前馈控制的原理和特点;静态和动态前馈的设计方法;前馈与反馈复合控制系统的设计; 8、大滞后控制系统设计：Smith预估控制的结构和原理;Smith 预估控制的特点分析;改进的Smith预估控制的应用; 9、比值控制系统的设计：比值控制系统的种类;比值系数的计算;比值控制的实现方法; 10、分程控制、均匀控制和选择性控制系统的设计：分程控制、均匀控制和选择性控制的工作原理、适用场合和设计原则; 11、解耦控制系统设计：相对增益的定义、作用、计算和应用;解耦控制器的设计;解耦控制的近似实现; 12、典型过程控制应用案例的分析与设计：大型火电机组热工控制系统的分析与设计;精馏塔控制系统的分析与设计。 考核要求 1)理解和掌握过程控制的基本概念：过程控制的特点、系统基本组成和分类; 2)掌握控制装置的使用：正确选择检测装置、控制器和执行器; 3)掌握对象建模的方法：根据设计需要，用机理建模法或工程测试法对被控对象进行建模;
1.2.1 通信系统的一般模型 1.2.3 数字通信的特点 (1) 抗干扰能力强，且噪声不积累 (2) 传输差错可控 (3) 便于处理、变换、存储，将来自不同信源的信号综合到一起传输 (4) 易于集成，使通信设备微型化，重量轻 (5) 易于加密处理，且保密性好 1.3.1 通信系统的分类 按调制方式分类：基带传输系统和带通（调制）传输系统 。调制传输系统又分为多种 调制，详见书中表1-1。 按信号特征分类：模拟通信系统和数字通信系统 按传输媒介分类：有线通信系统和无线通信系统 3.1.2 随机过程的数字特征 均值（数学期望）： 方差： 相关函数 3.2.1 平稳随机过程的定义 （1）其均值与t 无关，为常数a ； （2）自相关函数只与时间间隔τ 有关。 把同时满足（1）和（2）的过程定义为广义平稳随机过程。 3.2.2 各态历经性 如果平稳过程使下式成立 则称该平稳过程具有各态历经性。 3.2.4 平稳过程的功率谱密度 非周期的功率型确知信号的自相关函数与其功率谱密度是一对傅里叶变换。这种关系对平稳随机过程同样成立，即有 []∫∞∞?=dx t x xf t E ),()(1ξ} {2)]()([)]([t a t E t D ?=ξξ2121212212121),;,()] ()([),(dx dx t t x x f x x t t E t t R ∫∫ ∞∞?∞∞?==ξξ???==)()(τR R a a ∫∫ ∞ ∞?∞∞??==ω ωπτττωωτξωτξd e P R d e R P j j )(21)()()(
3.3.2 重要性质 广义平稳的高斯过程也是严平稳的。 高斯过程经过线性变换后生成的过程仍是高斯过程。 3.3.3 高斯随机变量 （1）f (x )对称于直线 x = a ，即 （2） 3.4 平稳随机过程通过线性系统 输出过程ξo (t )的均值: 输出过程ξo (t )的自相关函数： 输出过程ξo (t )的功率谱密度: 若线性系统的输入是平稳的，则输出也是平稳的。 如果线性系统的输入过程是高斯型的，则系统的输出过程也是高斯型的。 3.5 窄带随机过程 若随机过程ξ(t )的谱密度集中在中心频率f c 附近相对窄的频带范围Δf 内，即满足Δf << f c 的条件，且 f c 远离零频率，则称该ξ(t )为窄带随机过程。 3.7 高斯白噪声和带限白噪声 白噪声n (t ) 定义：功率谱密度在所有频率上均为常数的噪声 － 双边功率谱密度 － 单边功率谱密度 4.1 无线信道 电磁波的分类： 地波：频率 < 2 MHz ；距离：数百或数千千米 天波：频率：2 ~ 30 MHz ；一次反射距离：< 4000 km 视线传播：频率 > 30 MHz ；距离: 4.3.2 编码信道模型 P(0 / 0)和P(1 / 1) － 正确转移概率，P(1/ 0)和P(0 / 1) － 错误转移概率 P (0 / 0) = 1 – P (1 / 0) P (1 / 1) = 1 – P (0 / 1) 2)(0 n f P n =)(+∞<
1过程控制的任务和要求 要求三项：安全性经济性稳定性，过程控制的任务就是在了解掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用适宜的技术手段加以实现。过程控制的任务是由控制系统的设计和实现来完成的。 2常用过程控制系统分为哪几类 三类1.反馈控制系统（根据被控参数与给定值的偏差进行控制的）2.前馈控制系统（根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据）3.前馈-反馈控制系统（前馈控制的主要优点是能迅速及时克服主要扰动对被控量的影响，而前馈反馈能控制利用的反馈控制克服其他扰动，能够使被控量迅速而准确的稳定在给定值上，提高系统的控制质量） 1过程控制系统在运行中状态有几种?过程控制系统时域性能指标包括哪些？它们分别反应系统哪些方面性能？ 两种，一种是稳态，此时系统没有收到任何外来干扰，同时设定值保持不变，因而被调量也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况。一种是动态，当系统收到外来干扰的影响或者在改变了设定值之后原来的稳态受到破坏，各部分输入输出都发现变化。 时域性能指标（衰减比和衰减率，最大动态误差和超调量，残余偏差，调节时间和振荡频率）衰减比是衡量一个振荡过程的衰减程度的指标，它相当于两个相邻的波峰值之比。 衡量震荡频率过程衰减程度的另一个指标是衰减率，指的是每经过一个周期，波动幅度衰减的百分数。 最大动态误差和超调量最大动态误差是指设定阶跃响应中，过度过程开始后第一个波峰超过其新稳态值的幅度，最大动态偏差占被调量稳态变化幅度的百分比称为超调量 残余偏差是指过渡结束之后被调量新的稳态值Y（∞）与新设定值r之间的差值，它是控制系统稳态准确性的衡量指标 调节时间和振荡频率调节时间是从过渡过程开始到结束所需的时间过渡过程的振荡频率也可以作为衡量控制系统快速性的一个指标那你。 2什么是被控过程的特性？什么是被控过程的数学模型？目前研究过程数学模型的主要方法有哪些？ 指被控过程是否容易控制。数学模型乃是事物行为规律的数学描述。根据所描述的是事物在稳态下的行为规律还是在动态下的，被控系统数学模型的划分 1.按系统的连续性划分（连续系统模型，离散系统模型） 按模型的结构划分为[输入输出模型（可按时域划分为时域表达—阶跃响应，脉冲响应；频域表达—传递函数），状态空间模型] 机理法建模，用机理法建模就是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程，机理法建模的首要条件是生产过程的机理必须已经为人们所充分掌握，并且可以比较准确地加以数学描述 测试法建模，一般只用于建立输入输出模型。它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理的模型。 3如何判断一个过程是自衡过程还是无自衡过程？ 自衡过程指的是系统中存在着对所关注的变量的变化有固定负反馈作用，该作用总是力图恢复系统的平衡，在出现扰动后，过程能靠系统自身的能力达到新的平衡状态的性质称为自平衡特性，自衡过程具有一定范围内的自平衡，反之，不存在固定反馈作用的且自身无法恢复平衡的，为无自衡过程 4工业过程动态特性的特点是什么？ 1.对象的动态特性是不振荡的 2.对象的动态特性有延迟 3.被控对象本身是稳定的或中性的 4.被控对象往往具有非线性特征
2009级自动化《现代控制理论》考试知识点 1、给出一个动态结构图，求状态空间表达式并画出状态变量图（模拟结构图）。 2、给出2个状态空间表达式，求两者串联后的状态空间表达式。 3、对于齐次状态方程，给出两个初始时刻的解，求状态转移矩阵和系统矩阵。 4、给出状态空间表达式，对其近似离散化并分析前后的能控性。 5、给出1个微分方程，求其能控标准Ⅰ型和能观标准Ⅱ型状态空间表达式。 6、确定一个非线性系统是否大范围渐近稳定。 2008级自动化《现代控制理论》考试试题 A 卷1、试求图示系统的状态空间表达式。 (7分 ) 2、已知 ，求系统矩阵A 。，，求系统矩阵A 。 (6分) 3、判定系统21011x ?? =??--?? x x 平衡状态是否大范围渐近稳定。 (7分) 4、试对系统1001 11[0 1]u y ????=? ???????= x x +x ， ①判定状态的能控性和能观性。(4分) ②设计状态反馈控制器使其闭环极点为-1+j ，-1-j 。(6分) (共10分) B 卷1、试求方程为 ，系统的状态空间表达式。 (7分) 2、已知 ，求系统矩阵A 。(6分) 3、试求系统112122 2 11212x x x x x x x x x =--+??=-+-? 的平衡状态并分析其稳定性。 (7分) 112221y y y u u y y y u ++=+??++=? 22222322()222354t t t t t t t t t t t te e te e e Φt te e e te e e ?? -++-=?? --++-?? ()cost sint Φt -sint cost ??=????
第一章:预备知识 §1、1 概率空间 随机试验,样本空间记为Ω。 定义1、1 设Ω就是一个集合,F 就是Ω的某些子集组成的集合族。如果 (1)∈ΩF; (2)∈A 若F ,∈Ω=A A \则F; (3)若∈n A F , ，，21=n ,则 ∞=∈1n n A F; 则称F 为-σ代数(Borel 域)。(Ω,F )称为可测空间,F 中的元素称为事件。 由定义易知: . 216\,,)5)4(111F A A A i F A F B A F B A F i i n i i n i i i ∈=∈∈∈∈?∞ === ，，则，，，）若（； 则若（； 定义1、2 设(Ω,F )就是可测空间,P(·)就是定义在F 上的实值函数。如果 ()()()()∑∞ =∞==???? ???=?≠=Ω≤≤∈1121,,,31210,)1(i i i i j i A P A P A A j i A A P A P F A 有 时，当）对两两互不相容事件（； ）（； 任意 则称P 就是()F ,Ω上的概率,(P F ，，Ω)称为概率空间,P(A)为事件A 的概率。 定义1、3 设(P F ，，Ω)就是概率空间,F G ?,如果对任意 G A A A n ∈,,,21 , ,2,1=n 有: (),1 1∏===???? ??n i i n i i A P A P 则称G 为独立事件族。 §1、2 随机变量及其分布 随机变量X ,分布函数)(x F ,n 维随机变量或n 维随机向量,联合分布函 数,{}T t X t ∈,就是独立的。 §1、3随机变量的数字特征 定义1、7 设随机变量X 的分布函数为)(x F ,若?∞ ∞-∞<)(||x dF x ,则称 )(X E ＝?∞ ∞-)(x xdF 为X 的数学期望或均值。上式右边的积分称为Lebesgue-Stieltjes 积分。 方差,()()[]EY Y EX X E B XY --=为X 、Y 的协方差,而 DY DX B XY XY = ρ 为X 、Y 的相关系数。若,0=XY ρ则称X 、Y 不相关。 (Schwarz 不等式)若,,22∞<∞ 一、性能指标 1．静态偏差y(∞)或e(∞) 静态偏差，也称余差，是指被调量的稳态值与给定值的长期偏差。 e(∞)= r(∞)—y(∞) 静态偏差是衡量控制系统准确性的重要指标之一，它反映了控制系统的调节精度 。 2．控制过程时间（调节时间，回复时间）ts 对于定值控制系统，控制过程时间是指阶跃响应曲线由开始起到最后一次进入偏离稳态值为±△范围，并且以后不再越出此范围的时间即 t≥ts 时 ｜ y （t ）－ y （∞）｜≤ △ ， △=5%或2% （5%∣y1∣或2%∣y1∣） 对于随动控制系统，控制过程时间是指被调量与其稳态值之差不超过稳态值的±5%或±2%所需要的时间，就认为控制过程已经结束。即 t≥ts 时 y （t ）－ y （∞）≤ ±5%y （∞） 或±2%y （∞） 3．最大动态偏差ym 或超调量σ 在定值控制系统中，常用最大动态偏差ym 这个指标来衡量被调量偏离给定值的程度。 ym ＝y1＋y(∞) 动控制系统常用超调量这个指标来衡量被控制量偏离给定值的程度。超调量σ可定义为： ()%1001 ∞= y y σ 4．衰减率?衰减比n 衰减率是指每经过一个波动周期，被调量波动幅值减少的百分数。 13 1311y y y y y -=-= ? 式中 y1— y3—偏离稳态值的第三个波峰幅值。 它常被工程上用来描述过渡过程为衰减振荡时的衰减速度。 若?＜0，则调节过程是发散振荡，这种系统是不稳定的。 若?＝0，则调节过程是等幅振荡，这种系统处于边界稳定。 若0＜?＜1，则调节过程是衰减振荡，这种系统是稳定的。可以应用。 若?＝1，则调节过程是不振荡的衰减过程(非周期过程)，这种系统稳定。 在0＜?≤1的范围内，?的数值还可表明系统稳定裕量(富裕量或贮备量)的大小 ，一般取 ?＝0.75～0.90 制系统中，突出的要求是克服扰动的性能。 制系统中突出的要求是跟踪性能。 系统调节品质的优劣可以归纳为三个方面即稳定性，准确性、快速性。 二、数学模型 建模方法①理论建模：基于基本的物理、化学定律和工艺参数，推导被控对象数学模型 ②试验建模：在运行条件下通过实验方法来获取 根据阶跃响应把对象分为①有自平衡能力②无自平衡能力 气动控制：仪表信号的传输标准：0.02-0.1Mpa 电动控制：DDZ-2信号的传输标准：0-10mADC DDZ-3信号的传输标准：4-20mADC 计算机控制:DCS、PLC（模拟量4-20mA、1-5V） FCS（标准协议） 稳定性指标：衰减比（衰减率） 准确性指标：残余偏差，最大动态偏差，超调量 快速性指标：调节时间（振荡频率） 第一章 1、被控对象：即被控制的生产设备或装置 被控变量－被控对象需控制的变量 2、执行器：直接用于控制操纵变量变化。执行器接收到控制器的输出信号，通过改变执行器节流件的流通面积来改变操纵变量。常用的是控制阀。 3、控制器（调节器）：按一定控制规律进行运算，将结果输出至执行器。 4、测量变送器：用于检测被控量，并将检测到的信号转换为标准信号输出。 稳态：系统不受外来干扰，同时设定值保持不变，因而被调量也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况 动态：系统受外来干扰或设定值改变后，被控量随时间变化，系统处于未平衡状态。 过度过程：从一个稳态到达另一个稳态的过程。 过渡过程的形式：非周期过程（单调发散和单调衰减）；振荡过程（发散、等幅振荡、衰减振荡） 评价控制系统的性能指标：稳定性、准确性、快速性 稳定性：稳定性是指系统受到外来作用后，其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。 准确性：理想情况下，当过渡过程结束后，被控变量达到的稳态值（即平衡状态）应与设定值一致。 快速性：快速性是通过动态过程持续时间的长短来表征的。 多数工业过程的特性可分为下列四种类型：自衡的非振荡过程；无自衡的非振荡过程；有自衡的振荡过程具有反向特性的过程 放大系数K对系统的影响：控制通道（放大系数越大，控制作用对扰动的补偿能力强，有利于克服扰动的影响，余差就越小）。扰动通道（当扰动频繁出现且幅度较大时，放大系数大，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；） 滞后时间τ对系统的影响：控制通道（滞后时间越大，控制质量越差）扰动通道（扰动通道中存在容量滞后，可使阶跃扰动的影响趋于缓和，对控制系统是有利的） 工业过程动态特性的特点 （1）对象的动态特性是不振荡的 （2）对象动态特性有迟延。迟延包括容积迟延、传输迟延。 （3）被控对象本身是稳定的或中性稳定的 （4）被控对象往往具有非线性特性 第一章 控制系统的状态空间表达式 １．状态空间表达式 n 阶 Du Cx y Bu Ax x +=+= 1:?r u 1:?m y n n A ?: r n B ?: n m C ?:r m D ?: A 称为系统矩阵，描述系统内部状态之间的联系；Ｂ为输入（或控制）矩阵，表示输入对每个状态变量的作用情 况；C 输出矩阵，表示输出与每个状态变量间的组成关系，Ｄ直接传递矩阵，表示输入对输出的直接传递关系。 ２．状态空间描述的特点 ①考虑了“输入－状态－输出”这一过程，它揭示了问题的本质，即输入引起了状态的变化，而状态决定了输出。 ②状态方程和输出方程都是运动方程。 ③状态变量个数等于系统包含的独立贮能元件的个数，n 阶系统有n 个状态变量可以选择。 ④状态变量的选择不唯一。 ⑤从便于控制系统的构成来说，把状态变量选为可测量或可观察的量更为合适。 ⑥建立状态空间描述的步骤：a 选择状态变量；b 列写微分方程并化为状态变量的一阶微分方程组；c 将一阶微分方程组化为向量矩阵形式，即为状态空间描述。 ⑦状态空间分析法是时域内的一种矩阵运算方法，特别适合于用计算机计算。 ３．模拟结构图（积分器 加法器 比例器） 已知状态空间描述，绘制模拟结构图的步骤：积分器的数目应等于状态变量数，将他们画在适当的位置，每个积分器的输出表示相应的某个状态变量，然后根据状态空间表达式画出相应的加法器和比例器，最后用箭头将这些元件连接起来。 ４．状态空间表达式的建立 ① 由系统框图建立状态空间表达式：a 将各个环节（放大、积分、惯性等）变成相应的模拟结构图；b 每个积 分器的输出选作i x ，输入则为i x ；c 由模拟图写出状态方程和输出方程。 ② 由系统的机理出发建立状态空间表达式：如电路系统。通常选电容上的电压和电感上的电流作为状态变量。 利用KVL 和KCL 列微分方程，整理。 ③由描述系统的输入输出动态方程式（微分方程）或传递函数，建立系统的状态空间表达式，即实现问题。实现是非唯一的。 方法：微分方程→系统函数→模拟结构图→状态空间表达式。熟练使用梅森公式。 注意：a 如果系统函数分子幂次等于分母幂次，首先化成真分式形式，然后再继续其他工作。 b 模拟结构图的等效。如前馈点等效移到综合反馈点之前。p28 c 对多输入多输出微分方程的实现，也可以先画出模拟结构图。 5．状态矢量的线性变换。也说明了状态空间表达的非唯一性。不改变系统的特征值。特征多项式的系数也是系统的不变量。 特征矢量i p 的求解：也就是求0)(=-x A I i λ的非零解。 状态空间表达式变换为约旦标准型（Ａ为任意矩阵）：主要是要先求出变换矩阵。a 互异根时，各特征矢量按列排。b 有重根时，设３阶系统，1λ＝2λ，3λ为单根，对特征矢量1p ，3p 求法与前面相同， 2p 称作1λ的广义特征矢量，应满足121)(p p A I -=-λ。 系统的并联实现：特征根互异；有重根。方法：系统函数→部分分式展开→模拟结构图→状态空间表达式。 6．由状态空间表达式求传递函数阵)(s W D B A sI C s W ++-=-1)()( r m ?的矩阵函数［ij W ］ ij W 表示第j 个输入对第i 个输出的传递关系。 状态空间表达式不唯一，但系统的传递函数阵)(s W 是不变的。 第一章随机过程的基本概念与基本类型 一．随机变量及其分布 1．随机变量，分布函数 离散型随机变量的概率分布用分布列分布函数 连续型随机变量的概率分布用概率密度分布函数 2．n维随机变量 其联合分布函数 离散型联合分布列连续型联合概率密度 ３．随机变量的数字特征 数学期望：离散型随机变量连续型随机变量 方差：反映随机变量取值的离散程度 协方差（两个随机变量）： 相关系数（两个随机变量）：若，则称不相关。 独立不相关 ４．特征函数离散连续 重要性质：，，， ５．常见随机变量的分布列或概率密度、期望、方差 ０－１分布 二项分布 泊松分布均匀分布略 正态分布 指数分布 ６．Ｎ维正态随机变量的联合概率密度 ，，正定协方差阵 二．随机过程的基本概念 １．随机过程的一般定义 设是概率空间，是给定的参数集，若对每个，都有一个随机变量与之对应，则称随机变量族是上的随机过程。简记为。 含义：随机过程是随机现象的变化过程，用一族随机变量才能刻画出这种随机现象的全部统计规律性。另一方面，它是某种随机实验的结果，而实验出现的样本函数是随机的。 当固定时，是随机变量。当固定时，时普通函数，称为随机过程的一个样本函数或轨道。 分类：根据参数集和状态空间是否可列，分四类。也可以根据之间的概率关系分类，如独立增量过程，马尔可夫过程，平稳过程等。 ２．随机过程的分布律和数字特征 用有限维分布函数族来刻划随机过程的统计规律性。随机过程的一维分布，二维分布，…，维分布的全体称为有限维分布函数族。随机过程的有限维分布函数族是随机过程概率特征的完整描述。在实际中，要知道随机过程的全部有限维分布函数族是不可能的，因此用某些统计特征来取代。（１）均值函数表示随机过程在时刻的平均值。 （２）方差函数表示随机过程在时刻对均值的偏离程度。 （３）协方差函数且有 （４）相关函数(3)和(4)表示随机过程在时刻，时的线性相关程度。 过程控制系统考试知识点复习和总结 终极版 第五章复杂控制系统（串级、比值、均匀、分程、选择、前馈、双重控制） 串级控制系统 定义：采用不止一个控制器，而且控制器间相串接，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值的系统。 调节过程： 当燃料气压力或流量波动时，加热炉出口温度还没有变化，因此，主控制器输出不变，燃料气流量控制器因扰动的影响，使燃料气流量测量值变化，按定值控制系统的调节过程，副控制器改变控制阀开度，使燃料气流量稳定。与此同时，燃料气流量的变化也影响加热炉出口温度，使主控制器输出，即副控制器的设定变化，副控制器的设定和测量的同时变化，进一步加速了控制系统克服扰动的调节过程，使主被控变量回复到设定值。 当加热炉出口温度和燃料气流量同时变化时，主控制器经过主环及时调节副控制器的设定，使燃料气流量变化保持炉温恒定，而副控制器一方面接受主控制器的输出信号，同时，根据燃料气流量测量值的变化进行调节，使燃料气流量跟踪设定值变 化，使燃料气流量能根据加热炉出口温度及时调整，最终使加热炉出口温度迅速回复到设定值。 特点： 能迅速克服进入副回路扰动的影响 串级控制系统由于副回路的存在，改进了对象特性，提高了工作频率 串级控制系统的自适应能力 设计： ⑴主、副回路 副回路应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁和幅度大的扰动，并力求包含尽可能多的扰动。设计副回路应注意工艺上的合理性；应考虑经济性；注意主、副对象时间常数的匹配 ⑵串级控制系统中主、副控制器控制规律 主控制器起定值控制作用，副控制器对主控制器输出起随动控制作用，而对扰动作用起定值控制作用。主被控变量要求无余差，副被控变量却允许在一定范围内变动。主控制器可采用比例、积分两作用或比例、积分、微分三作用控制规律，副控制器单比例作用或比例积分作用控制规律。 ⑶主、副控制器正、反作用的选择 1.自控系统的基本要求：稳定性、快速性、准确性（P13） 稳定性是由系统结构和参数决定的，与外界因素无关，这是因为控制系统一般含有储能元件或者惯性元件，其储能元件的能量不能突变。因此系统收到扰动或者输入量时，控制过程不会立即完成，有一定的延缓，这就使被控量恢复期望值或有输入量有一个时间过程，称为过渡过程。 快速性对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。 准确性过渡过程结束后，被控量达到的稳态值（即平衡状态）应与期望值一致。但由于系统结构，外作用形式及摩擦，间隙等非线性因素的影响，被控量的稳态值与期望值之间会有误差的存在，称为稳态误差。+ 2.选作典型外作用的函数应具备的条件：1）这种函数在现场或试验室中容易得到 2）控制系统在这种函数作用下的性能应代表在实际工作条件下的性能。3）这种函数的数学表达式简单，便于理论计算。 常用典型函数：阶跃函数，幅值为1的阶跃称为单位阶跃函数 斜坡函数 脉冲函数，其强度通常用其面积表示，面积为1的称为单位脉冲函数或δ函数 正弦函数，f(t)=Asin(ωt-φ)，A角频率，ω角频率，φ初相角 3.控制系统的数学模型是描述系统内部物理量（或变量）之间关系的数学表达式。（P21） 静态数学模型：在静态条件下（即变量各阶导数为零），描述变量之间关系的代数方程 动态数学模型：描述变量各阶导数之间关系的微分方程 建立数学模型的方法：分析法根据系统运动机理、物理规律列写运动方程 实验法人为给系统施加某种测试信号，记录其输出响应，并用合适的数学模型去逼近，也称为系统辨识。 时域中的数学模型有：微分方程、差分方程、状态方程 复域中的数学模型有：传递函数、结构图 频域中的数学模型有：频率特性 4.非线性微分方程的线性化：切线法或称为小偏差法（P27） 小偏差法其实质是在一个很小的范围内，将非线性特性用一段直线来代替。 连续变化的非线性函数y=f（x），取平衡状态A为工作点，在A点处用泰勒级数展开，当增量很小时略去高次幂可得函数y=f（x）在A点附近的增量线性化方程y=Kx，其中K是函数f（x）在A 点的切线斜率。 5.模态：也叫振型。线性微分方程的解由特解和齐次微分方程的通解组成。 通解由微分方程的特征根决定，它代表自由运动。如果n阶微分方程的特征根是λ1，λ2……λn且无重根，则把函数e t1λ，e t2λ……e ntλ称为该微分方程所描述运动的模态。每一种模态代表一种类型的运动形态，齐次微分方程的通解则是它们的线性组合。 6.传递函数：线性定常系统的传递函数定义为零初始条件下，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。（P30） 零初始条件是指输入量加于系统之前，系统处于稳定的工作状态，此时输出量及各阶导数为零；输入量是在t大于等于0时才作用于系统，因此在t=0-时，输入量及其各阶导数均为零。 1)传递函数是复变量s的有理真分式函数，且所有系数均为实数； 2)传递函数是一种用系统参数表示输出量与输入量之间关系的表达式，它只取决于系统或元件 的结构和参数，而与输入量的形式无关，也不反映系统内部的任何信息。 3)传递函数与微分方程有相通性。 4)传递函数的拉式反变换是脉冲响应 第一章 1、输入-输出描述:通过建立系统输入输出间的数学关系来描述系统特性。含：传递函数、微分方程（ 2、状态空间描述通过建立状态（能够完善描述系统行为的内部变量）和系统输入输出间的数学关系来描述系统行为。 3、limg ij (s)=c,真有理分式c ≠0的常数，严格真有理分式c=0，非真有理分式c=∞ 4、输入输出描述局限性：a 、非零初始条件无法使用，b 、不能揭示全部内部行为。 5、状态变量的选取：a 、n 个线性无关的量，b 、不唯一，c 、输出量可作状态变量，d 、输入量不允许做状态变量，e 、有时不可测量，f 、必须是时间域的。 6、求状态空间描述的传递函数矩阵：G(s)=C(sI-A)-1B+D 7、输入-输出描述——>状态空间描述（中间变量法） 8、化对角规范形的条件：系统矩阵A 的n 个特征值λ1，λ2，…, λn 两两互异，或当系统矩阵A 的n 个特征向量线性无关。 9、*x =Ax+Bu * x =A x +B u A =P -1AP B =P -1B *x =P -1* x x =P -1x u =u 10、代数重数σi ：同为λi 的特征值的个数，也为所有属于 λi 的约当小块的阶数之和。几何重数αi ：λi 对应的约当小块个数，也是λi 对应线性相关特征向量个数。 11、组合系统状态空间描述： a 、并联：]*1111*222211212200[]x x B A u A x B x x y C C D D u x ????????????=+????????????????????????=++??????? ，1()()N i i G s G s ==∑ b 、串联：]()*1111*221221212122120x A x B u A B C x B D x x y D C C D D u x ????????????=+????????????????????????=+??????? ，11()()()...()N N G s G s G s G s -= c 、反馈：1121()()[()()]G s G s I G s G s -=+ 第二章 1、求e At :a 、化对角线线规范形法，b 、拉普拉斯法 2、由 *x =Ax+Bu y=Cx+Du 求 x(t)=e At x 0+∫e A(t- τ)Bu(τ) d τ,(t ≥0) 第三章 1、能控性：如果存在一个不受约束的控制作用u(t)在有限时间间隔t0-tf 内，能使系统从任意初高等过控知识点总结
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